王玄燁，禚文瀚，崔悅悅，胡滿芳，范雨薪，韋會鴿

（天津科技大學化工與材料學院，天津 300170）

0 引 言

糖尿病是全球患病率最高的慢性病之一，不僅會對人類的健康造成嚴重的威脅，甚至還會影響國家經(jīng)濟發(fā)展。早期的血糖監(jiān)測基本上采取指尖采血的方式［1］，在給使用者帶來痛苦的同時還會有傷口感染的風險。此外傳統(tǒng)的血糖監(jiān)測如生物酶基血糖儀會有較大的局限性，酶的活性高度依賴溫度、pH值等外界環(huán)境影響，測得的結果誤差較大。所以在減小創(chuàng)傷的同時還需提高監(jiān)測的精度。

目前，基于微流控芯片［2，3］的無創(chuàng)血糖監(jiān)測憑借自動化能力強［4］、與可穿戴式的體外臨床設備兼容［5］等特點已逐漸在醫(yī)療方面得到推廣應用。這種血糖監(jiān)測能夠對葡萄糖進行非酶促測量［6］，提高監(jiān)測靈敏度和數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性；也可以結合可生物降解的紙基材料制備分析設備對葡萄糖進行定量分析［7］，減少樣品消耗以及檢測的時間。本文從微流控芯片的關鍵技術、在血糖監(jiān)測上的應用以及國內(nèi)外產(chǎn)品研究現(xiàn)狀進行總結，并進一步探討未來的發(fā)展趨勢。

1 微流控芯片關鍵技術

微流控芯片主要由微流道、微閥門、微泵和微反應器等組成，其中微流道是核心部件，不僅可以實現(xiàn)非侵入式監(jiān)測［8］，其尺寸結構、轉運效率及流體控制特性也將直接影響到檢測精度。對于微流控芯片本身而言，多功能、高集成和微型化也是其發(fā)展的關鍵因素［9］。

1.1 微流道設計

1.1.1 光刻技術

光刻技術是通道設計中最基本的技術，將光罩上的圖案通過曝光和顯影工藝轉移到光敏材料上，形成微型通道結構，可以實現(xiàn)精確的通道形狀和尺寸控制。Nady E 等人［10］通過質子束光刻以及傳統(tǒng)的紫外光刻技術相結合，將聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）微結構集成到PDMS微型器件中，減少了材料消耗。通過適當?shù)奈⒂^結構規(guī)劃制作出外圍為圓柱形，內(nèi)置微流道的微型混合器。利用紫外可見光光譜法進行混合測試并發(fā)現(xiàn)，這種微流道結構的設計可以顯著提高混合器混合效率（可達82%）。

現(xiàn)如今又衍生出一種軟光刻技術［11，12］，該技術具有較好的重復性，且通過調(diào)整模具設計和制備方法，可以實現(xiàn)不同曲線形狀、不同寬度和深度的微流道。Mondal B等人［13］采用電火花線切割加工（wire electric discharge machining，WEDM）的方法生產(chǎn)出尺寸合適的微流道模具，經(jīng)過軟光刻制備蛇形方波微通道。這種類型的微通道具備良好的流動動力學性能［14］，可以使液體在通道中發(fā)生多次側向擴散，進而增加混合效率，并能夠減小設備尺寸。

1.1.2 熱壓技術

熱壓技術通常需要根據(jù)通道結構制備一個硅膠或金屬制作的模具，然后將所需材料片放置于模具中，在高溫下加熱并施加壓力使聚合物材料軟化，進入凹槽并形成所需的通道結構，再固化材料，最終脫模制得成品。這種方法可以提供監(jiān)測設備高分辨率、高靈敏度的結果。Qin Y L 等人［15］設計出增強的PDMS 模具用于熱壓印環(huán)狀烯烴聚合物（circular olefin polymers，COP）片，并通過制作用于數(shù)字核酸檢測中自動樣品數(shù)字化的芯片來演示熱壓印方法。增強PDMS模具具有小至10 μm（排水通道寬度）的高度可復制性，使得微流道設計更為方便。Jiang K等人［16］通過對壓花溫度、壓力和保壓時間等加工條件的控制，可以制作出具有高玻璃化轉變溫度的通道模具，使制得的通道具有強抗熱性和低界面能，減少通道中的滯流現(xiàn)象，提高后續(xù)的監(jiān)測精度［17］。

1.1.3 3D打印技術

近年來，3D打印技術在微流控芯片制備方面取得重大突破［18］。這種技術可以直接將設計好的微通道模型打印成實體結構，具有高度的定制性和靈活性，適用于快速原型設計和小批量制造。Wei L等人［19］通過麥芽糖漿3D 打印制成糖絲正模制備微流道，同時將未固化的PDMS 作為中間粘合劑封裝微流道并將傳感器集成到微流控芯片中。打印所需溫度較低（約80 ℃），不僅能夠防止打印材料受熱氧化或分解，還可以顯著降低打印器件的溫度控制以及隔熱難度。

1.2 芯片設計

1.2.1 薄膜技術

隨著聚合物材料的興起，一些薄膜材料展現(xiàn)出極好的可拉伸性和可彎曲性，而現(xiàn)又有納米薄膜技術，為芯片設計帶來更高的靈敏度和特異性。Zhang Q等人［20］開發(fā)了一種以三維石墨烯纖維薄膜／殼聚糖-金納米顆粒（3D GF／CSAuNPs）微納復合材料為原料制備傳感元件，集成高效微流控芯片。其傳感平臺具有高電子轉移能力、大比表面積和多活性位點，其中大量的CS-AuNPs修飾的3D網(wǎng)絡結構的GF可以促進電化學信號的增強，進而提供微流控芯片響應迅速的特性。由于薄膜技術的制造尺度通常在微米至納米級別，與此結合的芯片需要精確匹配這些尺度，因此，確保薄膜的幾何尺寸與流體控制的要求相匹配是一個具有挑戰(zhàn)性的任務。

1.2.2 注塑技術

注塑技術通過精密的模具和控制系統(tǒng)實現(xiàn)微流控芯片的精確尺寸控制，同時可以在短時間內(nèi)生產(chǎn)大批量芯片，具有極高的可擴展性。馬秀清等人［21］以聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）為原料通過注塑加工獲得微流控芯片，并根據(jù)極差分析測出該芯片注塑工藝的最優(yōu)工藝參數(shù)。實驗測得當熔體溫度為260 ℃，模具溫度為50 ℃，保壓壓力為60 MPa，注射速度為400 mm／s時，芯片的成型質量最好。實際的注塑過程中，會存在難以脫模的問題，微型結構會受到各種因素導致變形而復制失敗。因此，Wang Y等人［22］利用電鑄法制備鎳基復合模具鑲件。通過注塑微流控芯片進行重金屬檢測驗證了復合鑲件的低表面能、低摩擦等優(yōu)點，有利于實現(xiàn)微流控芯片的無損成型。

1.3 微反應控制

1.3.1 微混合技術

微混合器主要分為主動式和被動式兩類［23］，主動式混合器一般采用外部施力等手段，可以實現(xiàn)快速組分的完全混合，但工藝流程較復雜；被動式混合器單純通過液滴驅動或反離子電滲等為動力，僅需依賴混合器自身的幾何形狀所產(chǎn)生的特殊流動狀態(tài)達到一定的混合效果。Hu X 等人［24］利用聚多巴胺涂層的薄磁鐵作為液滴操作的移動表面能阱（surface energy trap，SET）并引入磁性數(shù)字微流體（magnetic digital microfluidics，MDM），首次在MDM 平臺上完成可釋放的液滴分配，且該平臺與基于介電潤濕（electro wetting-on-dielectric，EWOD）的數(shù)字微流體系統(tǒng)的功能相匹配，擴展了其在體外監(jiān)測方面的應用。

1.3.2 微分離技術

微分離常見的方法有色譜法、介電電泳法、重力沉降法等，在血糖監(jiān)測中實現(xiàn)血樣分離、分子篩選與捕獲、稀釋以及傳感器集成等應用。糖化血紅蛋白（HbA1c）是臨床醫(yī)療上比較重要的檢測指標，其濃度與疾病治療有著直接或間接關系，如糖尿病、腎病等。為此，Hossain M D M 等人［25］研發(fā)出一種傳感器與交流場應用微流控裝置相結合，用于同時檢測血樣中的蛋白（Hb）和8種HbA1c組分，利用分析參數(shù)（Nb等）評估兩者檢測限。Hb 和HbA1c 的分離和監(jiān)測不受復雜樣品基質的干擾，且該方法可在沒有任何生物受體的條件下提供高精度、高選擇性、高靈敏度的監(jiān)測。

2 血糖監(jiān)測應用

在血糖監(jiān)測方面，微流控芯片可結合光譜分析技術［26］、光纖激光技術［27］、電化學技術［28］、可穿戴技術［29］、基于自愈合水凝膠的傳感技術［30，31］等不同的手段來實現(xiàn)無創(chuàng)的效果，同時提高精度與準確性。

2.1 納米酶技術

鑒于傳統(tǒng)的酶基生物血糖儀易受溫度、pH值等環(huán)境因素影響，現(xiàn)研究出一種新型納米酶技術，即以納米材料作為酶的基質，通過化學合成或修飾等手段將具有催化活性的基團引入其中。其尺寸結構遠小于普通生物酶，可在較寬的溫度或pH值范圍內(nèi)保持活性。Nguyen Q H等人［32］通過離子凝膠制備了含鐵位單原子的聚γ-谷氨酸／殼聚糖水凝膠納米顆粒（PGA-Fe／CS NPs），作為模擬過氧化物酶樣的納米酶，其活性中心附近具有較多的微空間，通過多孔網(wǎng)絡減輕傳質限制而提高了催化活性。另外他們開發(fā)了可折疊的紙微流控裝置，可在納米酶和氧化酶之間進行簡便的級聯(lián)反應，以更加直觀地識別出目標分子，適合糖尿病的即時檢測（point-of-care testing，POCT）。Zhang P 等人［33］制備了一種無金屬、石墨狀氮化碳基納米酶，它具有雙功能級聯(lián)催化作用，與微流控裝置結合，對連續(xù)血糖監(jiān)測（continuous glucose monitoring，CGM）方面擁有極大的用處。

納米酶盡管與普通酶相比具有較大優(yōu)勢，其可再生性方面仍面臨一些挑戰(zhàn)，需進一步研究和改進。

2.2 電化學技術

電化學監(jiān)測是目前微流控分析領域最熱門的研究方向之一［34］，通過在電極表面催化血糖與輔助劑的氧化還原反應產(chǎn)生電信號，利用與微流控結合設計出的微型傳感器傳輸信號形成數(shù)據(jù)，借助可穿戴技術提供靈敏的血糖監(jiān)測［28，35，36］。Noura Z等人［38］展示了一種三維紙基微流控電化學集成裝置（3D paper-based microfluidic electrochemical integrated device，PMED）的制備。該裝置基于毛細管的作用收集樣品并實時監(jiān)測汗液中的葡萄糖濃度，對葡萄糖具有良好的選擇性，在臨床相關葡萄糖濃度范圍（0 ～2 mmol／L）檢測準確度高，靈敏度高（16.8 μA／（mmol／L／cm））。

糖尿病的嚴重性主要在于其會伴隨許多并發(fā)癥［39］，同樣需要技術診斷。Li J等人［4］集成了微流控器件和光電化學（photoelectrochemistry，PEC）傳感器。該傳感器分生物陰極和光陽極兩極，其中Znln2S4納米花作光敏材料置于陽極，而催化酶作生物陰極。這類芯片能夠快速且準確地監(jiān)測葡萄糖、乳酸、丙酮酸和3-羥基丁酸4 項指標，可同時診斷糖尿病、乳酸酸中毒以及酮癥酸中毒并作出相應治療措施。

2.3 光纖技術

一般的傳感器在進行血糖監(jiān)測時，仍舊存在葡萄糖溶液濃度與溫度測量之間的干擾問題［40］。所以，Qu J 等人［41］將帶有光纖尖端的雙參數(shù)的光學傳感器引入微流控芯片。微流控通道中分布有半球形探頭，幾乎不影響流場分布，可實現(xiàn)溶液濃度和溫度的同步檢測，且溫敏性和葡萄糖濃度敏感性有所提高。

現(xiàn)有葡萄糖傳感器主要以非酶形式檢測［42］，一些采取非酶促受體靶向的方法，而這類傳感器會由于受體聚集有結合效率低的缺陷，影響檢測限。Kim H M 等人［43］引入倍半硅氧烷（polyhedral oligomeric silsesquioxane，POSS）作為載體，合成了一種amine＠POSS-氨基苯硼酸（aminophenylboronic acid，APBA）偶聯(lián)物并依附在用光纖固定的金納米顆粒的表面上。通過分析發(fā)現(xiàn)使用POSS的非酶促受體能夠更好地與葡萄糖結合，反應程度增加，且有效地擴大了檢測限（25.0 μmol／L）。

綜上所述，光纖的結合可以提供高靈敏度、寬范圍的監(jiān)測，是一種具有前景的血糖監(jiān)測方法。

3 國內(nèi)外產(chǎn)品研發(fā)現(xiàn)狀

目前尚未出現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化的微流控無創(chuàng)血糖監(jiān)測產(chǎn)品，但一些研發(fā)的產(chǎn)品顯示出微流控技術在無創(chuàng)血糖監(jiān)測的潛力，不斷帶動微流控技術的發(fā)展以及成熟度的提升。

3.1 國外研發(fā)現(xiàn)狀

3.1.1 GlucoWise

GlucoWise技術由英國MediWise公司研發(fā)。該研究結合了微流控和電磁波技術，制作出可便攜式設備，可通過夾在拇指和食指間的皮膚或耳垂上進行無創(chuàng)測量，同時也適用于連續(xù)監(jiān)測。其2021年推出的新一版GlucoWise人體試驗融合了多種波長傳感器及機器學習，獲得更加精準的結果。

3.1.2 希若嘉

希若嘉（CNOGA）血糖儀是世界首創(chuàng)的新型無創(chuàng)手指監(jiān)測裝置，采用以色列進口技術以及美國德州芯片的運算功能，提供各項指標的實時監(jiān)測，且測量效果精準，現(xiàn)已獲得中國CFDA以及歐盟CE 認證。設備將微流控與可見光譜技術結合，通過LED 光源發(fā)送波長600～1 150 nm 的光譜。經(jīng)過人體組織時，一些光會被吸收從而變色，影像部件會對變色信號進行分析，實現(xiàn)快速便捷的診斷。

3.1.3 SugarBEAT

SugarBEAT是英國Nemaura Medical公司研發(fā)的新型無創(chuàng)血糖儀，其第一個型號即可連接智能手表，并在2016 年獲得CE認證。產(chǎn)品將微流控與電化學傳感器結合，利用無刺激性的軟硅凝膠粘在皮膚上。貼片通過發(fā)射器監(jiān)測葡萄糖并以5 min為時間間隔定時傳輸數(shù)據(jù)。傳感器中的電子電流將間質液吸引到表面，分析葡萄糖水平，可實現(xiàn)高靈活性的動態(tài)監(jiān)測。

3.2 國內(nèi)研發(fā)現(xiàn)狀

國內(nèi)的微流控技術近幾年也在呈飛躍式發(fā)展，已在不同領域得到應用［44～46］。但相較于國外，基于微流控技術打造的無創(chuàng)血糖儀品牌還很少。一些國內(nèi)的公司和研究機構正在進行研發(fā)工作，例如云眸生物公司將微流控芯片與光電傳感技術結合實現(xiàn)無創(chuàng)手段，并且積極與其他機構合作，進行臨床試驗以驗證準確性。而其余國產(chǎn)微流控血糖儀在性能以及用戶友好度方面與國外存在一定差距。

4 總結與研究展望

本文介紹了近幾年微流控技術的發(fā)展以及在血糖監(jiān)測方面的應用現(xiàn)狀，總結了微流控芯片的制作方法、基于微流控的血糖監(jiān)測手段。當今微型化、集成化和智能化是現(xiàn)代科技發(fā)展的重要趨勢，而微流控具備精準控制液體流動、低消耗、高通量、快分析等特點，不僅避免有創(chuàng)血糖儀給人們帶來的痛苦，還解決了體外檢測的精度問題。微流控芯片與傳感技術的結合，將血糖分析帶入到智能設備中，給人們的檢測方式帶來極大的便利。

中國基于微流控的血糖監(jiān)測還是一個處于發(fā)展初期的領域，根據(jù)目前，國內(nèi)有近50 家企業(yè)正在研發(fā)微流控技術，一些研究團隊結合信號檢測技術制作出微流控血糖儀，但這些成果主要集中在實驗室階段，還需驗證其可行性和準確性。此外在研究過程中還會面臨實驗結果與實際臨床應用間的轉化、識別干擾因素對監(jiān)測準確性的影響等問題。未來國內(nèi)的研究方向包括進一步優(yōu)化芯片結構和性能，并加強微流控無創(chuàng)血糖監(jiān)測與臨床應用間的關聯(lián)?？傮w來說，這一領域將會擁有更多的創(chuàng)新和突破，為糖尿病患者或控糖群體提供更便捷的監(jiān)測手段，改善血糖管理效果。